控制出口速度分布的超声速内流通道反设计

摘要

气动反设计问题是一个古老而经典的研究热点，以往绝大部分气动反设计都可以归结为已知边界压力（或速度）分布反求壁面形状的数值算法。对于给定进出口参数分布的内流通道反设计问题，较少有人涉及。唯一可见的参考工作来自MarkJoelLewis的若干工作。MarkJoelLewis使用复合可压缩流理论(CompoundCompressibleFlowTheory)完成了控制出口速度分布的超声速内流管道设计。然而，文献主动承认复合可压缩流理论的局限性，复合可压缩流的基本假设并不在所有情况严格成立。该问题的研究将可能为高超声速进气道、非均匀直连风洞等设计提供新的方法。
　　本文使用经典二维有旋特征线理论，研究了二维超声速内流中，按照预先设定的进出口条件反设计内流道型面的可行性。研究了弯曲激波的构造及对应壁面的反求方法，阐述了流场装配技术的基本思路及实现过程，实现了单道弯曲激波情况下控制出口流场速度分布的超声速内流通道反设计。对有旋特征线理论设计的结果进行了CFD的验证，证实了本文反设计方法的可行性。基于某个反设计算例设计了风洞实验模型。实验结果显示，出口截面核心区参数分布能较好地吻合设计目标，从而证明了本文反设计方法的工程适用性，能够直接用于超声速非均匀模拟器设计。
　　使用本文研究的反设计思路及方法设计了一出口参数均匀的轴对称基准流场。对此基准流场的无粘数值模拟结果显示，其能够满足出口参数均匀的反设计目标。在此基础上，使用流线追踪技术设计了一内收缩进气道，无粘数值模拟结果能基本保持基准流场的流动特性，但在有粘数值模拟中出口截面参数分布存在较大的流向涡；从壁面极限流线出发，分析了此差异的机理，并对后续相关研究工作提供了一些意见。

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注释表

第一章 绪论

1.1 冲压发动机进气道中的非均匀流动及其对工作性能的影响

1.2 直连实验设计

1.3 高超声速进气道设计方法现状

1.4 气动反设计的研究现状

1.5 本文研究内容

第二章 反设计方法的理论基础及方法

2.1 无粘流场的求解方法

2.2 经典二维有旋特征线理论及其变形

2.3 点的依赖与影响区域

2.4 初值线的决定区域和影响区域

2.5 本文指定速度非均匀截面的性质

2.6 本章小结

第三章 控制出口马赫数分布的超声速内流通道反设计

3.1 反设计简化模型

3.2 弯曲激波及其对应壁面的设计

3.3 流场装配技术

3.4 反设计流程

3.5 算例验证

3.6 反设计中的自由度

3.7 本章小结

第四章 反设计方法的实验验证

4.1 风洞介绍

4.2 实验模型介绍

4.3 实验模型数值模拟

4.4 实验结果及分析

4.5 本章小结

第五章 反设计在轴对称基准流场中的应用

5.1 一种新的基准流场设计方法

5.2 设计基准流场的CFD无粘计算结果

5.3 出口流场均匀的内收缩进气道研究

5.4 内收缩进气道中的壁面极限流线

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

附录： 本文反设计平台介绍

1. 类的结构

2. 数据结构

3. 算法介绍

参考文献

致谢

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